ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ
KOORDİNASYON BİRİMİ KOORDİNATÖRLÜĞÜNE
Proje Türü :Altyapı
Proje No :12A4240002
Proje Yöneticisi :Doç. Dr. Kamran Polat
Proje Konusu : Endüstriyel Atık Su Arıtımında Kullanılacak Bilgisayar Kontrollü Elektrokoagülasyon Prosesinin Geliştirilmesi ve İşletim Koşullarının Araştırılması
Yukarıda bilgileri yazılı olan projemin sonuç raporunun e-kütüphanede yayınlanmasını;
İSTİYORUM İSTEMİYORUM
…/…/20..
Proje Yöneticisi İmza
ANKARA ÜNİVERSİTESİ
BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJESİ SONUÇ RAPORU
Proje Başlığı
Endüstriyel Atık Su Arıtımında Kullanılacak Bilgisayar Kontrollü Elektrokoagülasyon Prosesinin Geliştirilmesi ve İşletim Koşullarının Araştırılması
Proje Yürütücüsünün İsmi
Doç. Dr. Kamran Polat
Yardımcı Araştırmacıların İsmi
Prof.Dr.Mustafa ALPBAZ, Prof.Dr.Hale HAPOĞLU, Prof.Dr.Hasan TOĞRUL, Prof.Dr.Zehra ZEYBEK, Yrd.Doç.Dr.Suna ERTUNÇ, Araş.Gör.Şule CAMCIOĞLU, Uzm.Nilüfer VURAL, Lütfiye Canan PEKEL, Saidat Olanıpekun GİWA
Proje Numarası
12A4240002
Başlama Tarihi 05.03.2012
Bitiş Tarihi 05.06.2014
Rapor Tarihi 08.09.2014
Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Ankara - " 2014 "
RAPOR FORMATI I. Projenin Türkçe ve İngilizce Adı ve Özetleri
PROJENİN TÜRKÇE ADI
Endüstriyel Atık Su Arıtımında Kullanılacak Bilgisayar Kontrollü Elektrokoagülasyon Prosesinin Geliştirilmesi ve İşletim Koşullarının Araştırılması
ÖZET
Elektrokimyasal yöntemlerle endüstriyel atık su arıtım proseslerinde yüksek arıtım verimi elde edebilmek için işletim şartlarının iyi belirlenmesi ve bu işletim şartlarının istenilen düzeyde tutulması gerekmektedir. Uygun işletim şartlarının oluşturulması için sıcaklık, pH, iletkenlik gibi proses parametrelerinin optimum değerlerinde tutulması amaçlanmalıdır.
Bilgisayar sistemlerinin gelişmesi ve elektrokimyasal arıtma tekniklerinin endüstrideki kullanım alanlarının artmasıyla, arıtma proseslerinin bilgisayar kontrolü ve uzaktan işletimi gittikçe önem kazanmıştır. Söz konusu elektrokimyasal prosesler incelendiğinde zamanla değişen birçok parametrenin proses üzerinde etkisi olduğu görülmektedir. Bunun yanında doğrusal olmayan yapıları ile kontrolleri ve optimizasyonları zordur. Büyük bir hızla gelişen teknolojinin yarattığı rekabet ve her türlü endüstriyel üretimin sebep olduğu çevre problemleri dikkate alınırsa, bu tür problemlerin çözümünde uzaktan işletim ve izlemeye olanak sağlayan kontrol algoritmalarının ülkemizde de geliştirilme zorunluluğunun önemi anlaşılacaktır. Proses değişkenlerinin çok sayıda olması, bu değişkenlerin on-line bilgisayarlarla anlık ve sürekli olarak kontrol edilmesini zorunlu kılar. Arıtım veriminin istenilen düzeyde olması için, sistem değişkenlerinin gerçek zamanlı olarak takibinin yanında, sistemde oluşan yük etkilerinin kontrolü ve arıtım sırasında oluşabilecek değişimlerin on-line olarak tespit edilebilmesiyle sağlanabilecektir.
Bu çalışmada elektrokoagülasyon tekniği ile farklı endüstriyel proseslerin arıtma ünitesinden alınan petrokimyasal atık su, tekstil atıksuyu ve kağıt atıksularının arıtımı yapılmıştır. Kesikli olarak çalıştırılan bir arıtım prosesinde elektrokoagülasyon ile arıtım için en uygun işletim parametreleri belirlenmiştir. Kontrol amacına yönelik sistem modeli geliştirilmiş, kontrol sistemleri kullanılarak minimum enerji ve zaman ile arıtma sağlanmıştır.
PROJENİN İNGİLİZCE ADI
To use in industrıal wastewater treatment, development of electrocoagulatıon process control wıth computer and investıgatıon of operatıng conditions.
ABSTRACT
To achieve high removal efficiency in industrial wastewater treatment processes by electrochemical methods, the operating conditions should be determined very well and these operating conditions have to be kept at the desired level. To establish the appropriate operating conditions, it is aimed that process parameters such as temperature, pH,
conductivity should be kept at the optimum values.
The development of computer systems and the increase in area of use of electrochemical treatment techniques in the industry, the computer control and remote operation of treatment processes has gained increasing importance. By examining electrochemical
processes in question, it is seen that several time-varying parameters have effects on the process. In addition, controls and optimization is difficult because of their non-linear structures.By taking into account a big competition created by rapidly evolving technology and environmental problems caused by all kinds of industrial production, to understand the importance of the requirement of the solution of problems of this kind of control algorithms that allow remote operation and monitoring is necessary in our county. Because of a large number of process variables it is necessary to control variables on-line by using short time interval. To have treatment efficiency at the desired level, real-time monitoring of system variables, as well as control of the effects of load on the system and on-line detection of changes that may occur during treatment will be provided.
In this study, the wastewater has been obtained from wastewater treatment unit of petrochemical, textile and paper industries and by electrocoagulation technique, the
wastewater treatment has been achieved. The most suitable operating parameters have been determined by electrocoagulation in a batch process. The system model has been developed for the control purpose. The treatment has been provided by using control systems with minimum power consumption.
II. Amaç ve Kapsam
Atıksu arıtımı için fiziksel yöntemler, kimyasal yöntemler, biyolojik yöntemler ve ileri arıtma prosesleri kullanılmaktadır. Elektrokimyasal prosesler, ileri arıtma prosesleri arasından en hızlı gelişen, uygulanan ve gelecekte daha fazla uygulama olanağına sahip olan proseslerdir. Atıksuların arıtılması için en çok kullanılan elektrokimyasal prosesler, elektrooksidasyon, elektroflotasyon ve elektrokoagülasyon (EC) prosesleridir. EC ünitesinin geliştirilmesi ve optimizasyonu için;
• pH
• Akım yoğunluğu
• İletkenlik
• İşletme süresi
• Elektrot materyalinin tipi ve bağlantı şekli
gibi proses konfigürasyonlarının ayrıntılı bir şekilde göz önüne alınması gerekmektedir.
Elektrokoagülasyon yöntemi ile endüstriyel atık suların arıtılması giderek önem kazanmakta ve uygulama alanı bulmaktadır. Ülkemizde elektrokimyasal prosesler önündeki en büyük engel prosese etki eden parametrelerin kontrolüne yönelik donanım ve yazılımlar bakımından dışa bağımlı olmamızdır. Bu proje ile elektrokoagülasyonda etken olan parametrelerin kontrolüne olanak sağlayacak kontrol ünitelerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu temel amaca ek olarak geliştirilen sistemin işletiminin gerçekleştirildiği donanımların sağlanması ve yazılımların geliştirilmesi hedeflenmiştir.
III. Materyal ve Yöntem
Bu çalışmada atık su arıtımı için elektrokoagülasyon yöntemi kullanılmıştır. Elektrik akımı kullanılarak, çözünmüş ve partikül halindeki süspansiyon maddeler, suyun üzerinde bir tabaka oluşturmuş ve bu maddeler atık sulardan ayrılarak uzaklaştırılmıştır. Çöken kısım da arıtma bitiminde uzaklaştırılmıştır. Burada reaksiyon için uygun bir süre tespit edilmiştir.
Akım yoğunluğu, atıksu iletkenliği, elektrotlar arası mesafe ve pH değeri gibi değişkenlerin arıtma verimine etkisi araştırılmıştır. Bu teknoloji proses kontrol ile birleştirilerek daha iyi arıtım sağlanmıştır. Arıtma çamuru vb kirleticilerin oranı oldukça azaltılmıştır.
Elektrokoagülasyon deneyleri için korozyona dayanıklı plexiglass malzemeden yapılmış
dikdörtgen kesitli elektrokoagülasyon reaktörü, eletrot sayısı ve elektrotlar arası mesafeyi, eletrotların reaktör tabanına olan mesafelerinin ayarlanmasına olanak sağlayacak otomasyon sistemini de kapsayacak şekilde tasarlanarak imalat gerçekleştirilmiştir.
Elektrokoagülasyon deneylerinde her biri 45 mm x 53 mm x 3 mm boyutlarında, 2385 mm2 aktif yüzey alanına sahip alüminyum elektrotlar kullanılmıştır. Elektrokoagülasyon reaktöründe akım ve voltaj dijital doğru akım güç kaynağı ile sağlanmış ve bir kontrol elemanı vasıtasıyla kontrol edilmiştir. Elektrokoagülasyon deneylerinde çalışılacak elektrolit, elektrolit tankından ortama beslenmiş ve ortamdaki iletkenliğin kontrol edildiği bir kontrol elemanı vasıtasıyla başlangıçta arzulanan iletkenlik düzeyine getirilmiştir.
Arıtma süresince de ortam iletkenliği kontrol altında tutulmuştur. Elektrokoagülasyon reaktörü içinden akım geçtiğinden reaktör içinde ısınma artarak sıcaklık yükselişi görülür.
Reaksiyonun istenen şartlarda oluşturulabilmesi için ilgili sıcaklığın istenen değerde sabit tutulması gerekmektedir. Bu amaçla kimyasal endüstrilerde çok kullanılan ısıtma ve soğutma sistemlerinin (heating-cooling system) bu reaktöre monte edilmesi gerekmiştir.
Soğutma sistemini elde edebilmek için içinden soğutma suyu geçen soğutma levhası monte edilmiştir. Ayrıca ısıtmayı sağlamak için de yine reaktörün içine dalgıç ısıtıcı konmuştur.
Elektrokoagülasyon reaktörünün sıcaklığını istenen değerde kontrol etmek için bilgisayar kontrol sistemleri kullanılmıştır. Bu amaca dönük olarak soğutma levhasının içinden geçen soğutma suyunun akış hızını ayarlamak için bilgisayar kontrollü bir peristaltik pompa kullanılması düşünülmüştür. Ortam pH’ını kontrol etmek amacıyla reaktör içi pH değerinin ölçüldüğü bir ölçüm elemanı sisteme daldırılmış ve ölçülen değer bilgisayara kablolu olarak iletilmiştir. Bilgisayar tarafından yapılan hesaplamalar sonunda elde edilen bilgiler peristaltik pompaya gönderilmiş ve gerekli asit ve baz akış hızları ayarlanmıştır. Buna benzer şekilde iletkenlik ölçümleri reaktör içi için yapılmış, bilgisayara nakledilmiş, yapılan hesaplamalardan sonra yine gerekli sinyaller tuz akış hızını ayarlayan peristaltik pompaya gönderilerek akış hızı ayarlanmıştır. Bulanıklık ölçümleri için türbidimetre cihazı kullanılmıştır. Alınan bulanıklık ölçümleri bilgisayara aktarılmıştır. Elektrokoagülasyon reaktöründe gerekli çöktürmeyi yapabilmek için potansiyostat kullanılmıştır. İstenen değerde çöktürme elde edilemediği zaman bilgisayardan gönderilen sinyallerle potansiyostat ayarlanmış ve elektrotlara giden akım istenen değerde tutulmuştur. Ayrıca DO metre ile reaktördeki çözünmüş oksijen miktarı ölçülerek bilgisayara iletilmiştir.
IV. Analiz ve Bulgular
Proje kapsamında petrokimya, tekstil ve kağıt endüstrileri atık suları ile çalışılmıştır.
Tekstil ve petrokimya atık suyu arıtım çalışmaları tamamlanmış olup kağıt atık suyu arıtım çalışmaları devam etmektedir. Söz konusu çalışmalardan iki adet doktora tezi tamamlanmış, bir tanesi halen devam etmektedir.
Petrokimyasal Atıksuların Arıtılması ile ilgili yapılan çalışma sonuçları
IV.1. Elektrokoagülasyon Yönteminde İşletme Parametrelerinin Elektrot Çözünmesi, Arıtılan Çözelti Sıcaklığı ve Enerji Tüketimine Etkisi
Bu bölümde farklı işletme parametre değiştirilmesinin elektrot çözünmesi, elektrolit özellikleri (pH ve sıcaklık) ve enerji tüketimine etkisi incelenmiştir.
IV.1.1 İşletme Parametrelerinin Elektrot Çözünmesine Etkisi
Oda sıcaklığında ve soğutma ceketi ile yapılan deneylerde elektrot çözünmesinin 1.5 g/L NaCl derişime kadar akım artırılmasıyla arttığı gözlenmiştir. Tablo 4.1’de gösterildiği
gibi, oda sıcaklığında, 0.5 g/l NaCl ve 45 dakika işletme süresi parametrelerinde akım değeri 0.5 A ‘den, 1.0 A, 1.5 A ve 2.0’ye kadar sırasıyla artırıldığında Al dozu 0.4002 g’dan 0.6695 g, 0.9327 g, ve 1.6944 g ‘a kadar artmıştır. Aynı koşullarda ama sistemi soğutmasıyla, akım değerleri 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A ve 2.0 A iken sırasıyla Al dozu 0.3347 g, 0.6025 g, 0.8601 g ve 1.4499 g olarak ölçülmüştür (Tablo 4.2). Ancak, 2 g/l NaCl derişimde, oda sıcaklığında elektrot dozu akım arttırılmasıyla artarken soğutmalı sistemde 1.5 A’dan sonra akımın artırılmasının elektrot çözünmesini etkilemediği görülmüştür.
Tablo 4.1 Al elektrot çözünmesine işletme parametrelerin etkisi (reaktör çevresi: oda sıcaklığı)
Tablo 4.2 Sistem soğutulduğunda farklı NaCl derişim değerlerinde Al elektrot çözünmesine akımı etkisi
IV.1.2 İşletme Parametrelerinin pH Değişmesine Etkisi
Düşünce olarak, elektrotlara uygulanan akımın arttırılmasının arıtılan çözeltinin son pH değerinin artmasına sebep olması gerekmektedir. Çünkü elektroliz esnasında Al(OH)3
oluşumu çözelti pH değerini arttırır. Akımın arttırılması ise Al(OH)3 oluşumu hızını arttırabilir. Çalışılan bütün işletme koşulları altında, kullanılan suyun son pH değerinin başlangıç pH değerinden daha büyük olduğu tespit edilmiştir. Ancak, bütün reaktör çevre sıcaklığı ve NaCl derişimi değerlerinde akımın arttırılmasının çözelti son pH değerini önemli bir şekilde etkilemediği bulunmuştur. Örneğin, oda sıcaklığında, 45 dakika ve 0,5 g/l NaCl derişimde son pH değerinin akımın artırılmasıyla önce azaldığı sonra arttığı gözlenmiştir (Tablo 4.3). Sistem soğutulduğunda aynı işletme koşullarında (45 dakika ve 0.5 g/l NaCl) akım arttırılırken son pH değerinin önce arttığı sonra azaldığı görülmüştür (Tablo 4.4). Bu sonuçlar elektrokoagülasyon süreçlerinin karmaşık olduğunu göstermektedir. Böylece, bu tür sistemler yalnız teorik açıdan tahmin edilemez.
Tablo 4. 3. Oda sıcaklık ve farklı NaCl derişim değerlerinde son pH değerlerine akım etkisi Oda sıcaklığında son pH
Akım, A 0.5 g/l NaCl 1.0 g/l NaCl 1.5 g/l NaCl 2.0 g/l NaCl
0.5 7.97 8.43 8.51 8.78
1.0 7.90 8.12 8.67 8.47
1.5 7.16 8.27 8 8.43
2.0 8.19 7.88 8.43 8.70
Oda sıcaklığında elektrot dozu (D), g (TOda~ 25 0C)
Akım, A 0.5 g/l NaCl 1.0 g/l NaCl 1.5 g/l NaCl 2.0 g/l NaCl
0.5 0.4002 0.3087 0.2870 0.3704
1.0 0.6695 0.4737 0.8772 0.7443
1.5 0.9327 0.9650 1.1675 0.7832
2.0 1.6944 1.2214 1.2508 1.3138
Ceket ile yapılan deneylerde elektrot dozu (D), g (Tceket= 5 0C) Akım, A 0.5 g/l NaCl 1.0 g/l NaCl 1.5 g/l NaCl 2.0 g/l NaCl
0.5 0.3347 0.3608 0.2923 0.3157
1.0 0.6025 0.6695 0.7595 1.6405
1.5 0.8601 0.7832 0.9316 1.7578
2.0 1.4499 1.4238 1.0445 1.7705
Tablo 4. 4. Sistem soğutulduğunda farklı NaCl derişim değerlerinde son pH değerlerine akımı etkisi
Ceket ile soğutularak yapılan deneylerde son pH değerleri Akım, A 0.5 g/l NaCl 1.0 g/l NaCl 1.5 g/l NaCl 2.0 g/l NaCl
0.5 8.15 10.34 8.65 8.81
1.0 8.92 8.89 8.99 8.93
1.5 8.91 8.5 8.94 9
2.0 8.54 8.77 9.09 9.32
IV. 1.3 Çözelti Sıcaklığına İşletme Parametrelerinin Etkisi
Deneyler sırasında, tüm elektroliz süresi ve NaCl derişim değerlerinde sistem soğultulduğunda bile çözelti sıcaklığının akım arttırılması ile arttığı gözlenmiştir. Örneğin, 0.5 g/l ve 10 dakika elektroliz süresinde 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A ve 2.0 A akım uygulandığında sırasıyla soğutmalı sistemde 21 oC, 26 oC, 32 oC ve 40 oC, ve soğutmasız sistemde 31.5 oC, 38 oC, 43 oC ve 51 oC çözelti sıcaklıkları ölçülmüştür (Şekil 4.1, 4.2).
Ayrıca, bu şekillerden belli bir akım ve elektroliz süresinde NaCl derişimi arttıkça çözelti sıcaklığının azaldığı fark edilebilir. Mesela, 2 A akım ve 45 dakika elektroliz süresinde NaCl derişimi 0.5 g/l, 1 g/l, 1.5 g/l ve 2 g/l olarak arttırıldığında sırasıyla çözelti sıcaklığının soğutmalı sistemde 70 oC, 62 oC, 54 oC ve 47 oC, ve soğutmasız sistemde 88.5
oC, 76 oC, 67 oC ve 63 oC olduğu görülmüştür. Bu sonuçlardan, akım geçişinin çözelti sıcaklığını ne kadar etkileyebileceği çözeltinin başlangıç iletkenliğine bağlı olduğu söylenebilir.
(a)
(b)
(c)
(d)
ŞEKİL 4.1. Çözelti sıcaklığına işletme parametreleri etkisi. Koşullar: başlangıç pH=7.01, ceket giriş sıcaklığı=5 oC , (a) 0.5 g/l NaCl, (b) 1.0 g/l NaCl (c) 1.5 g/l NaCl (d) 2.0 g/l NaCl
(a)
(b)
(c)
(d)
ŞEKİL 4.2. Çözelti sıcaklığına işletme parametreleri etkisi. Koşullar: başlangıç pH=7.01, reaktörün dış sıcaklığı = oda sıcaklığı (a) 0.5 g/l NaCl, (b) 1.0 g/l NaCl (c) 1.5 g/l NaCl (d) 2.0 g/l NaCl
IV.1.4 İşletme Parametrelerinin Hücre Voltajına ve Enerji Tüketimine Etkisi
Reaktörün çevre sıcaklığı her ne olursa olsun, voltajın hem elektroliz süresi hem de akım ile değiştiği gözlenmiştir. Belli bir NaCl derişimi ve elektroliz süresinde akım arttırıldıkça voltaj arttığı, ama belli bir NaCl derişimi ve akım değerinde voltajın elektroliz süresiyle azaldığı görülmüştür. Elektroliz ilerledikçe oluşan kimyasal tepkime sonucu çözelti içindeki iyonların sayısı azalır, böylece, belli akım ve NaCl derişiminde elektroliz süresi arttırıldıkça çözelti iyonik iletkenliği azalır ve aynı akım geçişi için az voltaj gerektiği açıklanabilir. Ancak, bazı şartlarda voltaj önemli bir şekilde zamanla değişmeyebilir veya sabit kalabilir. Örneğin, voltajın bütün NaCl derişimleri için akım 0.5 A iken zamanla sabit kaldığı ve 1 A’da NaCl derişimi 1.5 g/l ve 2.0 g/l olduğunda zamanla önemli bir şekilde değişmediği görülmüştür (Şekil 4.3).
(a)
(b)
(c)
(d)
Şekil 4.3. Hücre voltajına işletme parametreleri etkisi. Koşullar: başlangıç pH=7.01, reaktörün dış sıcaklığı = oda sıcaklığı (a) 0.5 g/l NaCl, (b) 1.0 g/l NaCl (c) 1.5 g/l NaCl (d) 2.0 g/l NaCl
Tablo 4.4 ve 1.5’te 45 dakikalık elektroliz ardından elde edilen enerji tüketimi verimleri göstermektedir. Her NaCl derişiminde enerji tüketiminin akımın arttırılmasıyla arttığı gözlenmiştir. Ancak her akım değerinde NaCl derişimi arttırıldıkça enerji tüketimi önemli bir şekilde azalmıştır. Bu Ohm yasasına göre açıklanabilir: sabit dirençte akım ve voltaj birbirlerine orantılıdır. Böylece, akım arttırılması hem voltaj hem enerji tüketimi artması ile sonuçlanır. Ancak, direnç iletkenlikle ters orantılıdır. Akım sabit kalırsa iletkenlik arttırılması hem voltajı hem de enerji tüketimini azaltır. Voltaj, akım ve yardımcı elektrolit derişimi enerji tüketimi etkilerken reaktör çevre sıcaklığının önemli bir şekilde etkilemediği fark edilmiştir.
Tablo 4.4. Enerji tüketimine işletme parametrelerin etkisi ( reaktör çevresi: oda sıcaklığı)
Tablo 4.5. Enerji tüketimine işletme parametreler etkisi ( reaktör çevresi: soğutma ceketi) Ceket ile yapılan deneylerinde elektrot dozu (D), g
Akım, A 0.5 g/l NaCl 1.0 g/l NaCl 1.5 g/l NaCl 2.0 g/l NaCl
0.5 0.3347 0.3608 0.2923 0.3157
1.0 0.6025 0.6695 0.7595 1.6405
1.5 0.8601 0.7832 0.9316 1.7578
2.0 1.4499 1.4238 1.0445 1.7705
IV.2. Yağlı Petrokimyasal Atık Suyun Elektrokoagülasyon (EC) Arıtımı
Bulanıklık ile karakterize edilmiş atık suyun elektrokoagülasyon ile arıtımında akım yoğunluğu, yardımcı elektrolit derişimi ve elektroliz süresi etkileri dikkate alınarak deneyler gerçekleştirilmiştir.
IV.2.1 Akım Yoğunluğu Etkisi
Akım yoğunluğu (AY) kesikli elektrokoagülasyon sürecinde doğrudan tek kontrol edilebilen işletim parametresi olduğu için son derece önemlidir. AY koagülant dozu ve kabarcık üretimi oranlarını belirlemesi yanı sıra güçlü elektrotlar yüzeylerinde kütle aktarımı ve çözelti karışımını da etkiler (Holt ve ark., 2005). Elektrokoagülasyon sürecinin bulanıklık giderim verimi üzerine akım yoğunluğunun etkisini araştırmak için, akım yoğunluğu değerleri 7.055 ve 21.164 mA/cm2 (0.4-1.2 A) arasında değiştirilmiştir.
Sonuçlar, akım yoğunluğu (14,109 mA/cm2’e kadar) arttıkça arıtma veriminin arttığını göstermiştir (Şekil 4.4 ve 4.5). 21.164 mA/cm2’de giderimin azalması elektrot yüzeyi üzerinde pasif tabakanın varlığı nedeniyle olmuş olabilir. Çünkü 1.2 A akım uygulandığında çözünen alüminyum miktarı 0,4496 g dır . Bu değeri 0,8 A’da çözünmüş Al miktarına göre daha azdır (Çizelge 4.6). Bu nedenle düşük verimin nedeni olarak çözeltide koagülant azalığı söylenebilir.
Oda sıcaklıkta enerji tüketimi, kWh/m^3
Akım, A 0.5 g/l NaCl 1.0 g/l NaCl 1.5 g/l NaCl 2.0 g/l NaCl
0.5 11.25 6.5417 4.5 3.75
1.0 40.5417 27.5833 15.875 17.2917
1.5 70.5 67 44.8125 44.6875
2.0 111.3333 91.3333 80.3333 77.6667
0 20 40 60 80 100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Bulanıklık giderimi, %
Akım, A
Şekil 4.4. Bulanıklık giderilişine akım etkisi (NaCl derişimi=1 g/L, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU)
Şekil 4.5. Bulanıklık giderilişine akım yoğunluğu etkisi (NaCl derişimi=1 g/L, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU).
Ancak, enerji tüketiminin akım yoğunluğu arttıkça artması gözlenmiştir. Çizelge 4.6’da görüldüğü gibi akım yoğunluğu 7.055, 14.109 ve 21.164 mA/cm2 iken sırasıyla hesaplanan enerji tüketimi 5, 20, 37.2 kWh/m3’dir.
Çizelge 4.6. Enerji tüketimi ve elektrot çözünmesine akım yoğunluğu etkisi (NaCl derişimi=1 g/L, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU)
൴ ( mA/cm
2
)
e (kg Al/m
3
)
E ( kWh/m
3
)
V (V)
7.056 0.206 5.000 25.000
14.109 0.774 20.000 50.000
21.164 0.450 37.200 62.000
IV.2.2 NaCl Derişimi Etkisi
Çözeltinin iyonik iletkenliği artırmak için NaCl derişimi 0.5 ve 2g / L arasında değiştirilmiştir.Yapılan 15 dakikalık elektroliz için derişim 0.5 g / L den 1g / L arasında değiştirildiğinde, voltaj 72 V’den 62 V’e ve enerji tüketimi 21.6 kWh/m3’den 18.6 kWh/m3’e azalmıştır. Ancak, 1g / L ötesinde NaCl derişim değeri artışının enerji tüketimi üzerine etkisi yoktur. Şekil 4.6, farklı NaCl derişim ve elektroliz süresinde enerji tüketimini göstermektedir.
Şekil 4.7’de görüldüğü üzere, giderim NaCl değerlerinde artış ile ilerlemiştir. Örneğin, 15 dakikalık deneylerde, derişim 0.5 ile 1 g / L arasında değiştirildiğinde verim % 73.86 'den
%86.36’a yükselmiştir. Maksimum uzaklaştırma verimi, çözeltiye 2g NaCl ilavesi ile elde edilmiştir. Bu etkiyi incelenmek için akım değeri 1.2 A’de tutulmuştur.
0 20 40 60 80 100
0 5 10 15 20 25
Bulanıklık giderimi,%
Akım yoğunluğu, mA/cm2
Şekil 4.6. Enerji tüketimine NaCl etkisi (akım yoğunluğu =21.164 mA/cm2, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU)
Şekil 4.7. Bulanıklık giderilişine NaCl etkisi (akım yoğunluğu =21.164 mA/cm2, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU)
IV.2.3 Elektroliz Süresi Etkisi
Bulanıklık giderim kinetiklerinin incelenmesi farklı NaCl derişimi için 21,16 mA/cm2’de akım yoğunluğunu sabit tutarak ve arıtma süresi 5 ve 30 dakika değiştirilerek gerçekleştirilmiştir. Burada kinetik NaCl derişimine göre de değerlendirildi çünkü Abdelwahab ve ark., 2009 yılında yaptıkları çalışmada atık su ortamında NaCl varlığının elektrotların yüzeylerindeki pasif oksit tabakası yok ederek EC arıtma verimini artırdığını belirttiler. Şekil 4.8 ve 4.9’da gösterildiği gibi en hızlı kinetik NaCl derişimi 2 g/L iken elde edilmiştir. Örneğin 5 dakikada 0.5 g/L NaCl ile giderim % 52.7 iken 2 g/L NaCl ile giderim % 87.7 'a kadar ulaşmıştır.
0 10 20 30 40 50
0 0,5 1 1,5 2 2,5
E, kWh/m3
NaCl derişimi, g/L
5 dak 15 dak 30 dak
0 20 40 60 80 100 120
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Bulanıklık giderimi, %
NaCl derişimi, g/L
5 dak 15 dak 30 dak
Şekil 4.8. Bulanıklık derişimi profili (akım yoğunluğu =21.164 mA/cm2, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU)
Şekil 4.9. Bulanıklık giderimine elektroliz süresi etkisi (akım yoğunluğu =21.164 mA/cm2, başlangıç pH=6, başlangıç bulanıklık derişimi=313.75 FTU )
IV.3 Yağsız Petrokimyasal atık suyun elektrokoagülasyon arıtımı
Elektrokoagülasyon ile bulanıklığı giderme verimi üzerine Akım yoğunluğu, NaCl derişimi ve elektroliz süresinin birleşik etkisi incelemek için deneyler, faktörleri istatistiksel olarak oluşturulan geleneksel tasarım matrisi yöntemle elde edilebilir. Bu faktörlerin bileşimleri merkez kompozit yöntemi ile tasarlanmıştır (Çizelge 4.7).
IV.3.1 Yağsız Petrokimyasal Atık sudan Bulanık giderimi ve İşletme Maliyeti
Çizelge 4.7’de görüldüğü gibi yağsız petrokimyasal atık sudan bulanık giderimi akım yoğunluğu/akım, yardımcı elektrolit derişimi ve elektroliz süresinin etkilediği gözlenmiştir. Merkez deneylerinde (([18.17 1.25 27.5], not: 18.17 mA/cm2=1.03 A)) ortalama % 96.73 bulanık giderimi elde edilmiştir. Bunun için ortalama işletme maliyeti metre küp başına US $2.62 hesaplanmıştır. Merkez noktalarından pozitif ve negatif akım yoğunluğu adımla sırasıyla bulanık giderimi %96.73’den %98’e, işletme artıp ve %70’
azalmıştır. Aynı şekilde işletme maliyetinin 2.62 US $/m3’den 5.11 US $/m3’e artıp ve 0.44 US $/m3’e azaldığı görülmüştür. Faktöriyel deneylerinde de akım artması bulanık giderimi ve işletme maliyetini arttırdığı bulunmuştur. Örneğin, 17.09 dk elektroliz süresi ve 1.7 g/L NaCl derişiminde akım yoğunluğu 10.04 mA/cm2 (0.57 A) ‘den 25. 4 mA/cm2 (1.44A) arttırıldığında bulanık giderimi ve işletme maliyeti %68 ve 0.66 US$/m3’ten %86 ve 2.18 US$/m3’e yükselmiştir. Ayrıca, sabit akım yoğunluğu ve NaCl derişiminde elektroliz süresinin artması hem bulanık giderimi hem de işletme maliyeti artmasına yol
0 100 200 300 400
0 5 10 15 20 25 30 35
Bulanıklık, FTU
Elektroliz süresi, dk
0.5 g/L 1 g/L 1.5 g/L 2 g/L
0 50 100 150
0 5 10 15 20 25 30 35
Bulanıklık giderimi, %
Elektroliz süresi, dk
0.5 g/L 1 g/L 1.5 g/L 2 g/L
açmıştır. Örneğin, akım yoğunluğu 18. 17 mA/cm2 ve NaCl 1.25 g/L iken elektroliz süresi 10 dk’dan 45 dk’ ya arttırıldığında bulanık giderimi %68’den %99’a işletme maliyeti ise 1 US$/m3’ten 4.19 US$/m3’e artmıştır. Faktöriyel deneylerde de elektroliz süresi aynı şekilde bulanık giderimi ve işletme maliyetini etkilemiştir; deney numara 2 ve 12 karşılaştırılırsa, elektroliz süresinin 20.82 dk ile arttığında %28.6 bulanık giderimi ve 0.56 US$/m3 işletme maliyeti artışı gözlenebilir (Çizelge 4.7). Ancak, sabit akım yoğunluğu ve elektroliz süresinde NaCl derişimi arttırılması bulanık giderimi arttırırken işletme maliyetini azalttığı görülmüştür. Eksenel deneylerinde (diğer faktörler orta değerlerindeyken (1.03 A akım ve 27.5 dk elektroliz süresi 27.5 dk) diğer faktörün minimumdan (-alfa) ve maksimumdan büyük (+alfa) değerinde yapılan deneyler) NaCl derişimi 0.5 g/L’den 2 g/L’ye arttığında bulanık giderimi %80 ‘den %97 artıp ve işletme maliyeti 2.75 US$/m3’ten 2.27 US$/m3’e azalmıştır. Bütün faktöriyel deneylerde deney numara 7 ve 12 hariç NaCl derişim bulanık giderimi ve işletme maliyetini aynı şekilde etkilemiştir. Ancak, minimum akım yoğunluğu ve elektroliz süresinde (10.94 mA/cm2 ve 17.09 dk) NaCl derişimi minimum değerinden (0.8 g/L) maksimum değerine (1.7 g/L) değişmesi bulanık giderimi ve işletme maliyetinin sırasıyla %63’ten %68’e ve 0.32 US$/m3’ten 0.66’ya arttığı gözlenmiştir (Çizelge 4.7). Burada işletme maliyetinin NaCl derişimi artmasıyla artışı elektrot maliyetinden kaynaklanmıştır. Çünkü bu deneylerde (deney 7 ve12) enerji tüketimi NaCl derişimi artmasıyla azaldığı görülmüştür. Yüksek elektrot maliyeti ise yüksek elektrot dozundan meydan geldiği söylenebilir. Çünkü NaCl derişimi 0.8 g/L ve 1.7 g/L sırasıyla elektrot dozu 0.0521 g ve 0.0918 g olduğu gözlenmiştir. Özet olarak akım yoğunluğu ve elektroliz süresi bulanık giderimi ve işletme maliyeti üzerine lineer bir kombine etkileri olduğu anlaşılmıştır. Bu kontör diyagramı ve 3boyutlu grafiklerde açıktır. Ancak, bulanık giderimi ve işletme maliyetine akım yoğunluğu-NaCl derişimi kombine etki (Şekil 4.10 ve 4.13) NaCl derşimi-elektroliz süresi kombine etkisi (Şekil 4.11 ve 4.14) ve akım yoğunluğu-elektroliz süresi kombine etkisine kadar önemli değildi (Şekil 4. 12 ve 4.15). Not edilmeli ki 3D ve kontör grafikleri sadece faktöriyel deneylerinden oluşturulmuştur.
(a)
Desig n-Expert® Software Turbidity removal
99 63 X1 = A: Current density X2 = B: NaCl conc Actual Factor C: Electrolysis time = 27.50
10.934 14. 549
18.165 21. 781
25. 396
0.80 1. 03 1. 25 1. 47 1. 70
70 77. 75 85. 5 93. 25 101
Turbidity removal
A: Current density B: NaCl conc
(b)
Şekil 4.10. Yağsız petrokimyasal atık sudan EC ile bulanıklık giderimine akım yoğunluğu ve NaCl derişimi etkisi için 3 boyutlu yüzey ve kontör grafikleri
(a)
(b)
Şekil 4.11. Yağsız petrokimyasal atık sudan EC ile bulanıklık giderimine akım yoğunluğu ve elektroliz süresi etkisi için 3 boyutlu yüzey ve kontör grafikleri
Desig n- Expert® Softwar e Tur bidity r emoval
Design Points 99 63
X1 = A: Curr ent density X2 = B: NaCl conc Actual Factor C: Electrolysis time = 27.50
10.934 14.549 18.165 21.781 25.396
0.80 1.03 1.25 1.47
1.70 Turbidity removal
A: Current dens ity
B: NaCl conc
80. 9919 84. 8418
88. 6917 92. 5416
96. 3914 6 6 6 6 6 6
Desig n-Expert® Software Turbidity removal
Desig n Points 99 63
X1 = A: Current density X2 = C: Electrolysis time Actual Factor B: NaCl conc = 1.25
10.934 14.549 18.165 21.781 25.396
17.09 22.30 27.50 32.70
37.91 Turbidity removal
A: Current dens ity
C: Electrolysis time
73. 8558 79. 582
85. 3081 91. 0342
96. 7604 6 6 6 6 6 6 Desig n-Expert® Software
Turbidity removal 99 63 X1 = A: Current density X2 = C: Electrolysis time Actual Factor B: NaCl conc = 1.25
10. 934 14. 549
18. 165 21. 781
25. 396
17. 09 22. 30 27. 50 32. 70 37. 91
68 76. 75 85. 5 94. 25 103
Turbidity removal
A: Current density C: Electrolysis time
(a)
(b)
Şekil 4.12. Yağsız petrokimyasal atık sudan EC ile bulanıklık giderimine akım yoğunluğu, NaCl derişimi ve elektroliz süresi etkisi için 3 boyutlu yüzey ve kontör grafikleri
(a)
Desig n-Expert® Software Turbidity removal
99 63 X1 = B: NaCl conc X2 = C: Electrolysis time Actual Factor A: Current density = 18.165
0. 80 1. 03
1. 25 1. 47
1. 70
17. 09 22. 30 27. 50 32. 70 37. 91
68 76. 75 85. 5 94. 25 103
Turbidity removal
B: NaCl conc C: Electrolysis time
Desig n-Expert® Software Turbidity removal
Desig n Points 99 63
X1 = B: NaCl conc X2 = C: Electrolysis time Actual Factor A: Current density = 18.165
0.80 1.03 1.25 1.47 1.70
17.09 22.30 27.50 32.70
37.91 Turbidity removal
B: NaCl conc
C: Electrolysis time
80. 658 85. 1151
89. 5722 94. 0292
98. 4863
6 6 6 6 6 6
(b)
Şekil 4.13. Yağsız petrokimyasal atık suyun EC arıtımının işletme maliyetine akım yoğunluğu ve NaCl derişimi etkisi için 3 boyutlu yüzey ve kontör grafikleri
(a)
(b)
Şekil 4.14. Yağsız petrokimyasal atık suyun EC arıtımının işletme maliyetine akım yoğunluğu ve elektroliz süresi etkisi için 3 boyutlu yüzey ve kontör grafikleri
(a)
(b)
Şekil 4.15. Yağsız petrokimyasal atık suyun EC arıtımının işletme maliyetine akım yoğunluğu ve elektroliz süresi etkisi için 3 boyutlu yüzey ve kontör grafikleri
IV.3.2 Yağsız Petrokimyasal Atık sudan Bulanıklık Giderilmesinde elektrot Çözünmesi
Faraday elektroliz kanuna göre elektrot çözünmesi uygulanan doğru akım ve elektroliz süresiyle orantılıdır. Çizelge 4.7’de gösterildiği gibi tasarımın merkezi deneylerinden ([18.17 1.25 27.5], not: 18.17 mA/cm2=1.03 A) elde edilen ortalama Al elektrot dozu 0.2205 g. Bu noktalarından pozitif ve negatif eksenel noktalara sırasıyla basamak akım değiştirilmesi ile elektrot dozu 0.2205 g’dan 0.3641 g’a artıp ve 0.1638 g’a azalmıştır.
Aynı şekilde, merkez noktadan eksenel noktalara elektroliz süresinin artan ve azalan adım değişikliklerinden sırasıyla 0.242 g ve 0,1886 g Al elektrot dozu elde edilmiştir. Tam tersine, pozitif ve negatif eksenel noktalara NaCl derişimi benzer değişimi sırasıyla 0.074 ve 0.2673 g Al elektrot dozunu sağlamıştır. Ancak, 25.4 mA/cm2 akım yoğunluğu (akım değeri= 1.44 A) ve 17.09 dk elektroliz süresinde 0.8 g/l’den 1.7 g/l’ye NaCl derişiminin değişmesi Al elektrot dozunun 0.1416 g’dan 0.1672 g’a artmasına neden olmuştur. 25.4 mA/cm2 akım yoğunluğu, 0.8 g/l NaCl derişimi ve 45 dk elektroliz süresinde maksimum Al elektrot çözünmesi ( 0.4204 g) elde edilmiştir. Bu sonuçlardan, akım yoğunluğu ve elektroliz süresinin değişimi belirli bir eğilim içinde Al çözünmesini etkilerken, NaCl derişimi değiştirilmesinin Al elektrot çözünmesine önemli bir etkiye sahip olmadığı görülebilir. Böylece, istatiksel plana göre yapılan elektrot çözünmesi deney sonuçlarının
Faraday kanuna uyduğu söylenebilir.
4.3.3 Yağsız Petrokimyasal Atık sudan Bulanıklık Giderilmesinde Enerji Tüketimi Genel olarak, elektrokimyasal yöntemlerde enerji tüketimi çok önemlidir. Çünkü enerji tüketimi işletme maliyeti değişmesini elektrot tüketimine göre daha çok etkiler. Deney sonuçlarından enerji tüketiminin akım ve elektroliz süresi arttırılmasıyla arttığı görülmüştür. Örneğin, 1.25 g/l NaCl derişimi ve 27.5 dk elektroliz süresinde (18.17 mA/cm2 dan)12.16 mA/cm2 ile akım yoğunluğu artması ve azalması sırasıyla 25.9646 kWh/m3 ve 3.1167 kWh/m3 enerji tüketimlerine yol açmıştır. Aynı şekilde, 18.17 mA akım yoğunluğu ve 1.25 g/l NaCl derişiminde 17.5 dk ile elektroliz süresi artması ve azalmasından sırasıyla 42.4875 kWh/m3 ve 9.4417 kWh/m3 enerji tüketimleri elde edilmiştir. Faktöriyel deneylerde NaCl derişimi artmasının enerji tüketimini azalttığı gözlenmiştir. Örneğin, 10.94 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 37.91 dk elektroliz süresinde 2.215 g/l ile NaCl derişimi değiştirilmesi 3.5256 kWh/m3 ile enerji tüketimi azalmasına sebep olmuştur. Ayıca, 25.4 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 27.91 dk elektroliz süresinde 0.8 g/l’den 1.7 g/l’ye NaCl derişimi arttığında enerji tüketimi 59.1396 kWh/m3’ten 54.5904 kWh/m3’e azalmıştır. Fakat eksenel deneylerde NaCl derişimin enerji tüketimini önemli ölçüde etkilemediği gözlenmiştir.
IV.3.4 Elektrokoagülasyon esnasında Yağsız Petrokimyasal Atık suyun Sıcaklığı Tablo 4.7’de gösterildiği gibi elektroliz esnasında atık suyun sıcaklığı akım yoğunluğu artmasıyla artmıştır. NaCl derişimi 1.25 g/l ve elektroliz süresi 27 dk iken 18.17 mA/cm2’dan 12.16 mA/cm2 ‘a akım artması ve azalması sırasıyla 7oC ve 0.5 oC sıcaklık değişimine yol açmıştır. Ancak, NaCl derişimi artmasının atık suyun sıcaklığını azalttığı görülmüştür; 18.17 mA/cm2 ve 27.5 dk elektroliz süresinde 0.75 g/l ile NaCl azalması ve artmasından sırasıyla 2 oC ve 0 oC sıcaklık değişimi meydana gelmiştir. Ama bunun tersi, 25.4 mA/cm2’ akım yoğunluğu ve 17.09 dk elektroliz süresinde ve 10.94 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 37.91 dk elektroliz süresinde görülmüştür. Ayrıca, bu yanıt üzerine elektroliz süresi etkisi önemsiz görünmüştür. Örneğin, 10.94 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 0.8 g/l NaCl derişiminde elektroliz süresi 37.91 dk ve 17.09 dk iken atık suyun sıcaklığının 21 oC olduğu gözlenmiştir.
Tablo 4.7. Tasarım matrisi ve deney sonuçları
Faktörler Cevaplar
Deney X1, mA/c m2
X2, g/L
X3, min
TR1,
%
C1, US $/m3
D1, g
E1, kWh/m3
T,
oC
CE,
% 1 18.17 1.25 27.50 94.21 2.60 0.1958 25.9646 22 123.5 2 10.94 1.70 37.91 96.16 1.22 0.1354 11.7521 19 102.9 3 25.40 0.80 17.09 80.00 2.62 0.1416 26.6604 24 102.8 4 18.17 1.25 27.50 97.79 2.67 0.2738 25.9646 22 172.7 5 10.94 0.80 37.91 83.65 1.58 0.1697 15.2777 21 129.0 6 18.17 1.25 27.50 98.19 2.69 0.2943 25.9646 22 185.6 7 10.94 0.80 17.09 63.00 0.32 0.0521 6.71067 21 87.9 8 25.40 1.70 17.09 86.00 2.18 0.1672 21.7385 23 121.4 9 18.17 1.25 27.50 97.76 2.59 0.1886 25.9646 22 119.0 10 25.40 0.80 37.91 95.50 5.90 0.4204 59.1396 26 137.6
IV.3.4 Yağsız Petrokimyasal Atık suyun Arıtımı için ANOVA ve Optimizasyon Sonuçları
Bulanıklık giderme verimi (T1), işletme maliyeti(C1), elektrot dozu (D1), enerji tüketimi (E1) ve sıcaklık için elde edilen matematiksel modeller Denklem 4.1 - 4.5’te verilmiştir.
Anova sonuçlarına göre f-değeri ve p- değeri ile modellerin istatiksel olarak önemli olduğu bulunmuştur. Ayrıca çizelge 4.8 ve 4.12’de görüldüğü gibi p- değerleri 0,05’ten küçük model terimlerde akım yoğunluğu, NaCl derişimi ve elektroliz süresi yer almıştır.
Modeller üzerine bu faktörlerin istatistiksel önemini ifade etmektedir. Bu çizelgelerde diğer bulunan önemli model terimleri de verilmiştir.
ܶ1 = 96.87 + 7.01ݔଵ+ 3.87ݔଶ+ 9.40ݔଷ− 1.14ݔଵݔଶ− 2.68ݔଵݔଷ+ 0.49ݔଶݔଷ− 4.74ݔଵଶ
− 2.94ݔଶଶ− 4.92ݔଷଶ (4.1)
ܥ1 = 2.64 + 1.48ݔଵ− 0.13ݔଶ+ 1.00ݔଷ− 0.11ݔଵݔଶ+ 0.59ݔଵݔଷ− 0.094ݔଶݔଷ + 0.023ݔଵଶ
− 0.07ݔଶଶ− 0.041ݔଷଶ (4.2)
ܦ1 = 0.2206 + 0.0635ݔଵ − 0.0194ݔଶ+ 0.0522ݔଷ − 0.0188ݔଵݔଶ+ 0.0501ݔଵݔଷ
− 0.0337ݔଶݔଷ+ 0.0149ݔଵଶ − 0.0181ݔଶଶ− 0.0129ݔଷଶ (4.3)
ܧ1 = 25.98 + 14.94ݔଵ− 1.06ݔଶ + 9.95ݔଷ− 0.57ݔଵݔଶ+ 6.29ݔଵݔଷ − 0.22ݔଶݔଷ+ 0.34ݔଵଶ
− 0.92ݔଶଶ− 0.087ݔଷଶ (4.4)
ܶ= 22.23 + 2.12ݔଵ− 0.86ݔଶ + 0.66ݔଷ+ 1.25ݔଵݔଷ+ 0.15ݔଵଶ (4.5)
YYM analiz sonuçlarını değerlendirmek için başka kullanılan istatiksel ölçü R2’dir. R2 değeri 1’e ne kadar yakınsa modelin uygun olduğunu ifade eder ve R2 ayarlanmış (Adj R2) ile R2 mantıklı bir uyum içerisinde olması gerekir. Yüksek R2 değerleri lineer, iç etkileşim 11 25.40 1.70 37.91 97.90 5.41 0.3501 54.5904 28 114.6 12 10.94 1.70 17.09 68.00 0.66 0.1918 5.2979 22 323.4 13 18.17 1.25 45.00 99.00 4.19 0.242 42.4875 23 93.3 14 6.01 1.25 27.50 70.00 0.44 0.1638 3.11667 18.5 313.0 15 18.17 1.25 27.50 96.31 2.62 0.2196 25.9646 22 138.5 16 18.17 0.50 27.50 81.00 2.75 0.2673 23.6042 25 168.6 17 18.17 2.00 27.50 97.00 2.27 0.074 23.6042 18 46.7 18 18.17 1.25 10.00 68.00 1.00 0.1288 9.44167 20 223.4 19 18.17 1.25 27.50 96.32 2.56 0.1508 25.9646 23 95.1 20 30.33 1.25 27.50 98.00 5.11 0.3641 51.2417 25 137.5
ve quadratik modelin deneysel verilere uyumlu olduğunu ifade eder (Kobya ve ark., 2008).
Çizelge 4.8 ve 4.9’te görüldüğü gibi modeller bulanıklık giderme ve işletme maliyeti için sırasıyla 0.98 ve 0.99 yüksek R2 değerleri sağlamıştır. Böylece modellerin deneysel verileri ile uyumlu olduğu test edilmiştir. Ayrıca bu değerlerin ayarlanmış R2 değerlerine uyduğu da söylenebilir. Ayrıca, enerji tüketimi model (Denklem 4.4) için ayarlanmış ve tahmin R-kare değeri birbirine ve bire çok yakın ve p-değeri 0.0001’den küçük (Çizelge 4.11) olduğuna göre modelin istatistiksel olarak anlamlı olduğu söylenebilir. Ayrıca, elektrot dozu için bulunan karesel polinom model (Denklem (4.3)) 0.05’ten küçük p-değer ve önemsiz uyum eksikliğine sahip olması istatistiksel önemini sağlamıştır (Çizelge 4.10).
Diğer taraftan sıcaklık için geliştirilen azaltılmış karesel polinom modelin deneysel verimlerle önemli uyum eksikliğine sahip olmasına rağmen yine 0.0005 p-değer ile istatiksel olarak önemli olduğu ortaya çıkmıştır (Çizelge 4.12). Terim x1, x2 ve x1x3 tüm modeller için istatistiksel olarak anlamlıdır. Bütün modeller kodlanmış faktörler cinsinden verilmiştir.
Çizelge 4.8. Bulanıklık giderimi için ANOVA sonuçları
Çizelge 4.9. İşletme maliyeti için ANOVA sonuçları Yüzey Yanıt karesel modeli için ANOVA
Yanıt: İşletme maliyeti
Terim Kareler
toplamı
Serbestlik derecesi
Ortalama kare
F- değer
p-değer
Model 46.88 9 5.21 238.3
5
<0.0001
x1-akım yoğunluğu 29.8700 1 29.8700 1366.
78
<0.0001
x2-NaCl derişimi 0.2200 1 0.2200 10.25 0.0108
x3-Elektroliz süresi 13.7400 1 13.7400 628.7 0.0001 Yüzey Yanıt karesel modeli için ANOVA
Yanıt: Bulanıklık giderimi
Terim Kareler
toplamı
Serbestlik derecesi
Ortalama kare
F-değer p-değer
Model 2825 9 313.95 53.05 < 0.0001
x1-akım yoğunluğu 670.34 1 670.34 113.27 <0.0001
x2-NaCl derişimi 204.28 1 204.28 34.52 0.0002
x3-Elektroliz süresi 1206.18 1 1206.18 203.81 <0.0001
x1x2 10.37 1 10.37 1.75 0.2181
x1x3 57.30 1 57.30 9.68 0.0125
x2x3 1.91 1 1.91 0.32 0.5838
x1
2 323.63 1 323.63 54.68 <0.0001
x2
2 127.27 1 127.27 21.51 0.0012
x3
2 348.22 1 348.22 58.84 0.0001
Artık 53.25 9 5.92
Uyum eksikliği 42.86 2 8.57 3.3 0.1335
Saf hata 10.4 4 2.6
Toplam 2878.83 19
R-kare = 0.9815 Ayarlanmış R-kare = 0.9638 Tahmin R-kare = 0.8338
x1x2 0.1000 1 0.1000 4.68 0.0586
x1x3 2.7700 1 2.7700 126.8
4
<0.0001
x2x3 0.0700 1 0.0700 3.21 0.1068
x1
2 0.0074 1 0.0074 0.34 0.574
x2
2 0.0700 1 0.0700 3.22 0.1063
x3
2 0.0240 1 0.0240 1.09 0.323
Artık 0.026 9 0.022
Uyum eksikliği 0.019 5 0.038 17.62 0.0079
Saf hata 8.541E-003 4 2.131E-003
Toplam 47.11 19
R-kare = 0.9958 Ayarlanmış R-kare = 0.9916 Tahmin R-kare = 0.9606
Tablo 4.10. Al elektrot dozu modeli için ANOVA sonuçları
Tablo 4.11 Enerji tüketimi modeli için ANOVA sonuçları
Terim
Kareler toplamı
Serbestlik derecesi
Ortalama
kare F-değer p-değer
Model 0.14 9 0.016 4.72 0.0118
x1-akım yoğunluğu 0.055 1 0.055 16.66 0.0022
x2-NaCl derişimi 5.12E-03 1 5.12E-03 1.55 0.2418 x3-Elektroliz süresi 0.037 1 0.037 11.27 0.0073
x1x2 2.82E-03 1 2.82E-03 0.85 0.3778
x1x3 0.02 1 0.02 6.06 0.0335
x2x3 9.11E-03 1 9.11E-03 2.75 0.128
x1
2 3.19E-03 1 3.19E-03 0.97 0.3489
x2
2 4.72E-03 1 4.72E-03 1.43 0.2596
X3
2 2.39E-03 1 2.39E-03 0.72 0.4148
Artık 0.033 10 3.31E-03
Uyum eksikliği 0.018 5 3.66E-03 1.24 0.4103
Saf hata 0.015 5 2.96E-03
Toplam 0.17 19
R-kare= 0.8095 Ayarlanmış R-kare= 0.6381
Yüzey Yanıt karesel modeli için ANOVA Yanıt : Enerji tüketimi, kWh/m3
Terim Kareler
toplamı
Serbestlik derecesi
Ortalama kare
F-değer p-değer
Model 4750.51 9 527.83 328.16 < 0.0001
x1-akım yoğunluğu 3048.06 1 3048.06 1895.0
4
< 0.0001
x2-NaCl derişimi 15.2 1 15.2 9.45 0.0118
x3-Elektroliz süresi 1352.92 1 1352.92 841.13 < 0.0001
T a b l o
4.12. At
Tablo 4.12. Atık suyun sıcaklığı modeli için ANOVA sonuçları Azaltılmış Yüzey yanıt karesel model için ANOVA
Yanıt: Sıcaklık, oC
Terim
Kareler toplamı Serbestlik derecesi
Ortalama kare F- değer
p-değer
Model 90.24 5 18.05 9.06 0.0005
x1-akım yoğunluğu 61.29 1 61.29 30.76 < 0.0001
x2-NaCl derişimi 10.15 1 10.15 5.09 0.0405
x3-Elektroliz süresi 5.99 1 5.99 3.01 0.1049
x1x3 12.5 1 12.5 6.27 0.0252
x1
2 0.31 1 0.31 0.16 0.6973
Artık 27.89 14 1.99
Uyum eksikliği 27.06 9 3.01 18.04 0.0027
Pure Error 0.83 5 0.17
toplam 118.14 19
R-square = 0.7639 Ayarlanmış R-square = 0.6796
Yağsız petrokimyasal atık sudan bulanıklık giderilmesinin optimum koşulları bulmak için sayısal yöntem kullanılmıştır. 30 iterasyon sonra bulunan sonuç çizelge 4.13’te verilmiştir. 18.17 mA/cm2 akım yoğunluğu, 1.25 g/L NaCl derişimi ve 27.5 dakika optimum şartlar olarak belirlenmiştir.
Çizelge 4.13. Optimizasyonun sonucu
Nu Akım
yoğunluğu
NaCl derişimi
Elektroliz Süresi
Bulanıklık giderimi
İşletme
maliyeti İstenilirlik
1 18.166 1.25 27.46 96.8319 2.63393 0.985
x1x2 2.57 1 2.57 1.6 0.235
x1x3 316.39 1 316.39 196.7 < 0.0001
x2x3 0.38 1 0.38 0.24 0.6381
x1
2 1.69 1 1.69 1.05 0.3299
x2
2 12.25 1 12.25 7.61 0.0202
x3
2 0.11 1 0.11 0.068 0.7992
Artık 16.08 10 1.61
Uyum eksikliği 16.08 5 3.22
Saf hata 0 5 0
Toplam 4766.6 19
R-kare = 0.9966 Ayarlanmış R-kare = 0.9936 Tahmin R-kare = 0.9741
IV.4 Otomatik Kontrollü Elektrokoagülasyon Sisteminin İçerdikleri ve Ön Denemelerin Sonuçları
Otomatik kontrollü sistemin blok diyagramı üç bölümden oluşmaktadır. Bunlar: çıkış (output) bölümü, ayar bölümü ve kontrol bölümü. Çıkış bölümünde sistemde ölçülen değişkenlerin (sıcaklık, iletkenlik, pH gibi) göstermektedir. Bu bölümde değişkenleri sayaçlar bulunmaktadır. Ayar bölümü ise çıkış bölümündeki bulunan değişkenleri ayarlamak için kullanılmaktadır. Burada bulunan cihazlar pompalardır. Akış hızları ile ayarlar yapılmaktadır. Kontrol bölümü ise ayar bölümündeki değişkenleri kullanarak çıkış değişkenleri istenilen değerlere getirmektedir.
Tablo 4.14. Yeni sistemde ilk ön deneme sonuçları
0.4 A 0.8 A 1.2 A
t, dk T, oC pH C,
ᶣS/cm T, oC pH
C,
ᶣS/cm T, oC pH C, ᶣS/cm
0 21.6 8.08 296 20 7.84 346.8 21.7 7.72 288.8
5 21.9 8.46 270.5 21.5 8.1 308.9 23.9 8.01 256.8 10 22.5 8.58 251.7 23.8 8.14 268.4 28.3 8.04 226.3 15 23.1 8.65 238.6 26.3 8.2 234.6 32.3 8.1 220.5 20 23.4 8.68 232.1 28.5 8.33 221.1 35.1 8.22 218.2 25 23.8 8.75 218.8 30.9 8.44 201.1 36.4 8.3 215.2 30 24.3 8.8 208.7 32.9 8.53 188.6 37.3 8.4 210 35 24.6 8.84 201.4 34 8.66 173.3 38 8.47 203.5 40 25 8.94 194.4 35.3 8.7 165.1 38.4 8.53 198.3 45 25.3 9.01 187 36.1 8.74 159.9 38.6 8.6 194.3 50 25.7 9.06 178.5 36.7 8.77 155.5 38.8 8.65 189.1
55 26 9.11 169.4 37.1 8.8 153 38.8 8.69 184.7
60 26.2 9.13 165.7 37.3 8.82 150.2 38.7 8.72 177.4
Sistemi tanımak için akım 0.4 -1.2 A arası değiştirilerek, pH ve iletkenlik değiştirilmeden 60 dakikalık içme suyun elektrokoagülasyonu gerçekleştirilmiştir.
Deney esnasında her akım değerinde 50 dakika elektroliz süresine kadar suyun sıcaklığı dışında pH ve iletkenliği elektroliz süresiyle değiştiği gözlenmiştir: zaman ilerledikçe pH’in asidik değerden bazik değere değiştiği, iletkenliğin azaldığı ve sıcaklığın arttığı görülmüştür. 50 dakika sonra sıcaklığın zamanla değişmesi önemli bulunmamıştır.
Ancak her elektroliz süresinde akım arttıkça sıcaklığın arttığı Çizelge 4.14’de fark edilebilir.
IV.5 Petrol Rafineri Atık suyun Elektrokoagülasyon Yöntemiyle Kontrol Amacına Arıtımı
Bu bölümde kontrol amacına optimum koşulları belirlenmesi için petrol rafineri atık su yun elektrokoagülasyon ile arıtımı gerçekleşmiştir. Deneyler merkez komposit tasarıma göre tasarlanmıştır. Bu matriste (Çizelge 4.16) faktörler olarak akım/akım yoğunluğu, iletkenlik, pH ve elektroliz süresi alırken bulanık giderimi elektrot dozu, işletme enerji tüketimi ve işletme maliyeti yanıt olarak kullanılmıştır. Tasarımı ayrıntısı Çizelge 4.15’te verilmektedir.
Çizelge 4.15 Petrol rafineri atık suyun arıtımı için tasarlanan matrisin faktörleri ve seviyeleri
Çizelge 4.16 Petrol rafineri atık suyun elektrokoagülasyon ile arıtımı için tasarım matrisi ve sonuçları
Faktörler Yanıtlar
D/Nu X1, mA/cm2
X2,
mS/cm X3
X4, min
TR,
%
E,
kWh/m3 e, g
C, US
$/m3
1 10.42 4 8 20 92.61 3.6667 0.0405 0.7780
2 13.54 3 9 25 79.21 9.4792 0.1396 1.4859
3 7.29 5 9 25 89.53 2.0417 0.427 1.9019
4 7.29 5 9 15 92.11 1.2250 0.1181 0.5908
5 10.42 4 10 20 92.54 3.6667 0.1455 0.9394
6 13.54 3 9 15 86.70 6.6625 0.0404 0.8144
7 10.42 6 8 20 94.83 3.0000 0.1583 0.9250
8 7.29 3 9 15 90.16 2.0125 0.1937 0.9693
9 7.29 3 7 25 91.35 3.3542 0.1291 0.8434
10 10.42 4 6 20 92.00 4.3333 0.1869 1.1698
11 16.67 4 8 20 94.22 11.2000 0.0571 1.3259
12 10.42 4 8 20 92.58 3.6667 0.1987 1.1514
13 10.42 4 8 10 82.83 2.1667 0.0693 0.4886
14 13.54 3 7 25 79.46 11.3750 0.3210 2.3947
15 13.54 5 7 25 79.19 7.5833 0.2822 1.8683
16 13.54 5 7 15 87.12 4.5500 0.3531 1.8534
17 10.42 4 8 20 92.63 3.6667 0.2010 1.1606
18 4.17 4 8 20 30.11 0.8000 0.1028 0.4881
19 7.29 3 9 25 98.36 3.6458 0.1395 0.9135
20 10.42 4 8 30 94.54 7.0000 0.2665 1.7485
21 13.54 5 9 25 91.46 7.5833 0.2783 1.8527
22 10.42 4 8 20 92.67 3.6667 0.1521 0.9657
23 7.29 5 7 25 73.93 2.6250 0.2024 1.06402
24 7.29 5 7 15 40.45 1.2250 0.1111 0.56288
25 10.42 4 8 20 92.52 3.6667 0.1551 0.97767
26 10.42 2 8 20 91.30 6.8333 0.1817 1.39421
Değişken, birim Kodlanmı
ş Faktör
Seviyeler
-α -1 0 1 + α
Akım yoğunluğu, mA/cm2 (X1) x1 4.17 7.29 10.42 13.54 16.67
NaCl derişimi, g/L (X2) x2 2 3 4 5 6
pH (X3) x3 6 7 8 9 10
Elektroliz süresi, dk (X4) x4 10 15 20 25 30
27 13.54 5 9 15 96.58 4.8750 0.1266 0.98259
28 10.42 4 8 20 92.70 3.6667 0.1901 1.11715
29 7.29 3 7 15 64.83 2.2750 0.1833 0.95358
30 13.54 3 7 15 95.71 6.5000 0.1874 1.38424
IV.5.1 Petrol Rafineri Atık suyundan Bulanık giderimi ve İşletme Maliyeti
Elektrokoagülasyon verimine etki eden değişkenlerde akım yoğunluğu/akım, yardımcı elektrolit derişimi (veya iletkenlik), başlangıç pH ve elektroliz süresi yer almaktadır.
Çizelge 4.16’da görüldüğü gibi merkez deneylerinden yaklaşık 1US$/m3 işletme maliyeti ile %92.6 bulanıklık giderimi elde edilmiştir. Akım yoğunluğunun pozitif ve negatif alfa değerinin kullanıldığı deneylerinde sırasıyla 0.489 US$/m3 ve 1.326 US
$/m3 işletme maliyeti ile petrol rafineri atık suyundan %30 ve %94.22 bulanık giderilmiştir. Ancak faktöriyel deneylerde akım yoğunluğu artması elektroliz ve pH ile beraber bulanıklık giderimini etkilediği fark edilmiştir. Örneğin, 3 mS/cm, 9 pH ve 25 dakikada yapılan deneylerde akım yoğunluğu 7.29 mA/cm2 (0.7 A)’den 13.54 mA/cm2 (1.3 A)’ye arttırıldığında bulanıklık giderimi %98.36’dan %79.21’e azalmıştır, ancak işletme maliyeti 0.9135 US$/m3’ten 1.4859 US$/m3’e artmıştır. Ayrıca, pH 7 iken aynı iletkenlik ve elektroliz süresinde 7.29 ve 13. 54 mA/cm2 akım yoğunluğu için benzer bir sonuç elde edilmiştir. Ancak deney numara 21 ve 23, ve deney numara14 ve 29 karşılaştırılırsa akım yoğunluğu ve pH değeri, ve akım yoğunluğu ve elektroliz süresi aynı anda artması hem bulanık giderimi hem de işletme maliyetini arttırdığı anlaşılır.
Şekil 4.16 ve Şekil 4.17’de sırasıyla bulanık giderimine akım yoğunluğu (X1) – pH (x3) ve akım yoğunluğu (X1) – elektroliz süresi (X4) etkisi gösterilmektedir. Şekiller 4.15, 4.18 ve 4.19 sırasıyla akım yoğunluğu (X1) – iletkenlik (X2), iletkenlik (X2) – pH (X3), iletkenlik (X2) – elektroliz süresi (X4)’ün bulanıklık giderimini önemli bir şekilde etkilemediği göstermektedir. Bu sonuçlar bulanıklık giderimi üzerine pH’nin etkisi iletkenliğin etkisine göre daha önemli olduğunu göstermektedir. Normalde elektrokimyasal arıtmanın işletme maliyetini önemli bir şekilde akım yoğunluğu ve elektroliz süresi etkiler. Önceki bölümde görüldüğü gibi petrokimyasal atık su arıtma işletme maliyetini etki eden değişkenlerde yardımcı elektrolit derişimi (başka deyişle iletkenlik) yer almıştır. Ancak petrol rafineri arıtma işletme maliyetine iletkenlik etkisi önemli bulunmamıştır. Bu sonuçlar elektrot tüketiminin işletme maliyetini (enerji tüketimine göre) daha çok etkilediğini göstermektedir. Çünkü pH’nin kimyasal parametre olduğuna göre tek elektrot çözünmesini etkileyebilir. Şekil 4.20’de işletme maliyeti üzerine akım yoğunluğu (X1)- pH (X3) etkileşim etkisinin 3D ve kontör grafikleri gösterilmektedir. Not edilmeli ki 3D ve kontör grafikleri sadece faktöriyel deneylerinden oluşturulmuştur.
Design-Expert® Software Turbidity removal
98.3596 30.1124 X1 = A: current density X2 = B: conductivity Actual Factors C: pH = 8.00 D: electrolysis time = 20.00
7. 29 8. 85
10. 41 11. 98
13. 54
3.00 3.50 4.00 4.50 5.00
30 46.25 62.5 78.75 95
Turbidity removal
A: current density (X1) B: conductiv ity (X2)
